用Cadence Virtuoso IC617和工艺参数设计有源负载差动对（五管OTA）运放

2023-12-11 11:26:45

前言

本文为我自己的学习笔记，是Cadence Virtuoso系列的第二篇文章，也是入门系列的文章，采用的软件版本是Cadence Virtuoso IC617。其他文章请点击上方，看我制作的Cadence Virtuoso专栏内容。

本文主要记录了如何用Cadence Virtuoso IC617和工艺参数设计有源负载差动对（俗称五管OTA）。这将帮助学习者理解工艺参数在运放设计中的作用，以及为后续引入 gm/Id 设计方法做好铺垫。

原理

电路拓扑

五管OTA的主拓扑由五只晶体管组成。注意，这里不考虑深n阱工艺等特殊工艺，所以，所有的N-MOS的B端接到GND，所有的P-MOS的B端接到VDD。

两只输入管 M1 和 M2 为N-MOS，互相对称，构成差分输入结构，其跨导gm和增益相关。

M3 和 M4 两只P-MOS构成有源电流镜，互相对称，其中 M4 的 D 端接输出，而 M3 的 D 端和 G 端相连，这就构成了单端输出结构。

最后的 M5 决定了尾电流，其需要另外接一个电流基准。

在输出端还需要接上 pF 级别的负载电容。

参数指标

以一个例题举例，题目要求如下：

计算公式

转换速率SR

S R = I 5 C L ( I 5 = I S S ) SR={I_5 \over C_L}\quad (I_5=I_{SS}) SR=CLI5(I5=ISS)

功耗P

P = V D D ∗ I 5 P=V_{DD}*I_5 P=VDD∗I5

输出电阻Rout

R o u t = 2 ( λ n + λ p ) I 5 R_{out}={2 \over (\lambda _n +\lambda _p)I_5 } Rout=(λn+λp)I52

截至频率f-3dB

f − 3 d B = 1 2 π R o u t C L f_{-3dB}={1 \over 2\pi R_{out} C_L} f−3dB=2πRoutCL1

增益Av

A v = g m 1 , 2 R o u t Av=g_{m1,2}R_{out} Av=gm1,2Rout

共模输入上限V-ICMR-MAX

V I C M R − M A X = V D D − V S G 3 , 4 + V T N V_{ICMR-MAX}=V_{DD}-V_{SG3,4}+V_{TN} \\\quad\\ VICMR−MAX=VDD−VSG3,4+VTN

共模输入下限V-ICMR-MIN

V I C M R − M I N = V D 5 , s a t + V G S 1 , 2 V_{ICMR-MIN}=V_{D5,sat}+V_{GS1,2} VICMR−MIN=VD5,sat+VGS1,2

计算步骤

工艺参数

在之前的文章中，已经把工艺参数仿真出来了，可以点击以下链接查看仿真方法。

用Cadence Virtuoso IC617仿真工艺库参数

仿真出来的参数如下。

其中Kx代表衬底的参数。
K x = μ x C o x \quad\quad K_x=\mu_xC_{ox} Kx=μxCox

确定Iss取值

首先确定尾电流 ISS 的取值，即 I5 ，才能确定各个晶体管的尺寸。

转换速率的约束

S R = I 5 C L ⩾ 20 V / μ s ⇓ I 5 ⩾ 40 μ A SR={I_5 \over C_L} \geqslant 20V/\mu s \\\dArr\\ I_5\geqslant 40\mu A SR=CLI5⩾20V/μs⇓I5⩾40μA

截止频率的约束

f − 3 d B = 1 2 π R o u t C L = ( λ n + λ p ) I 5 4 π C L ⩾ 1 0 6 ⇓ I 5 ⩾ 113 μ A f_{-3dB}={1 \over 2\pi R_{out} C_L} ={(\lambda _n +\lambda _p)I_5 \over 4\pi C_L} \geqslant 10^6 \\\dArr\\ I_5\geqslant 113\mu A f−3dB=2πRoutCL1=4πCL(λn+λp)I5⩾106⇓I5⩾113μA

功耗的约束

P = V D D ∗ I 5 ⩽ 0.5 m W ⇓ I 5 ⩽ 200 μ A P=V_{DD}*I_5 \leqslant 0.5mW \\\dArr\\ I_5 \leqslant 200\mu A P=VDD∗I5⩽0.5mW⇓I5⩽200μA

最终取值

综合以上计算，得出 I5 的取值范围如下。
113 μ A ⩽ I 5 ⩽ 200 μ A 113\mu A \leqslant I_5 \leqslant 200\mu A 113μA⩽I5⩽200μA
由于左边范围由转换速率和截止频率约束，右边范围由功耗约束，为了更好接近指标，取值可以稍微靠右，选取以下数值。
I 5 = 180 μ A I_5 = 180\mu A I5=180μA

确定M1和M2尺寸

以下关系式成立，可以代入Av的计算公式中。
g m 1 , 2 = 2 K n ( W L ) n 1 , 2 I 1 , 2 I 1 , 2 = 1 2 I 5 g_{m1,2}=\sqrt{ 2K_n \Big ({W \over L} \Big)_{n1,2} I_{1,2}} \quad\quad I_{1,2}={1 \over 2}I_5 gm1,2=2Kn(LW)n1,2I1,2 I1,2=21I5
可以得到以下结果。
( W L ) n 1 , 2 = A v 2 ( λ n + λ p ) 2 I 5 4 K n ≈ 25.25 \Big ({W \over L} \Big)_{n1,2}= {A_v^2 {(\lambda _n +\lambda _p)}^2 I_5 \over 4 K_n }\approx25.25 (LW)n1,2=4KnAv2(λn+λp)2I5≈25.25

确定M3和M4尺寸

以下关系式成立。
V S G 3 , 4 = 2 I 3 , 4 K p ( W L ) p 3 , 4 + ∣ V T P ∣ I 3 , 4 = 1 2 I 5 V_{SG3,4}=\sqrt{ {2I_{3,4} \over K_p( {W\over L} )_{p3,4}} }+\lvert V_{TP} \rvert \quad\quad I_{3,4}={1 \over 2}I_5 VSG3,4=Kp(LW)p3,42I3,4 +∣VTP∣I3,4=21I5
同时对公式移项。
V I C M R − M A X = V D D − V S G 3 , 4 + V T N ⇓ V S G 3 , 4 = V D D + V T N − V I C M R − M A X = 1.16 V V_{ICMR-MAX}=V_{DD}-V_{SG3,4}+V_{TN} \\\dArr\\ V_{SG3,4}=V_{DD}+V_{TN}-V_{ICMR-MAX}=1.16V VICMR−MAX=VDD−VSG3,4+VTN⇓VSG3,4=VDD+VTN−VICMR−MAX=1.16V
最后得出。
( W L ) p 3 , 4 ≈ 3.5 \Big ({W \over L} \Big)_{p3,4} \approx3.5 (LW)p3,4≈3.5

确定M5尺寸

以下关系式成立。
V G S 1 , 2 = 2 I 1 , 2 K n ( W L ) n 1 , 2 + V T N I 3 , 4 = 1 2 I 5 V D 5 , s a t = V G S 5 − V T N = 2 I 5 K n ( W L ) n 5 V_{GS1,2}=\sqrt{ {2I_{1,2} \over K_n( {W\over L} )_{n1,2}} }+V_{TN} \quad\quad I_{3,4}={1 \over 2}I_5 \\\quad\\ V_{D5,sat}=V_{GS5}-V_{TN}= \sqrt{ {2I_5 \over K_n( {W\over L} )_{n5}} } VGS1,2=Kn(LW)n1,22I1,2 +VTNI3,4=21I5VD5,sat=VGS5−VTN=Kn(LW)n52I5
代入进以下公式。
V I C M R − M I N = V D 5 , s a t + V G S 1 , 2 = 0.8 V V_{ICMR-MIN}=V_{D5,sat}+V_{GS1,2}=0.8V VICMR−MIN=VD5,sat+VGS1,2=0.8V
最后得出。
( W L ) n 5 ≈ 25.7 \Big ({W \over L} \Big)_{n5} \approx25.7 (LW)n5≈25.7
同时得出 VGS5 ，也就是尾电流晶体管的直流偏置电压。
V G S 5 = V b = 0.575 V V_{GS5}=V_b=0.575V VGS5=Vb=0.575V

结果仿真

参数汇总

根据以上结果，汇总成下表。

	1,2	3,4	5
W/L	25.25	3.5	25.7

选取最小栅长180nm的两倍作为晶体管栅长，定以下尺寸。晶体管栅长的最小步进是10nm，也就是说，只能是180nm，190nm这样取值，而不能取185nm，会导致W/L的实际取值和计算稍微有点偏差。

	1,2	3,4	5
W	9.1u	1.26u	9.3u
L	360n	360n	360n
W/L	25.28	3.5	25.8

绘制器件

在Cadence Virtuoso IC617里绘制器件内部的原理图。同时，设置Pin脚，即将其作为一个完整的模块进行仿真。电源接口设置为“inputOutput”双向接口，其他的就设置为“input”或“output”。注意，pin的名字不要和其他的网络标号同名，在部分工艺库中是不区分大小写的，所以字母一样但大小写不一样也不行，保存的时候会报Error。